毕业设计-PLC控制的恒压无塔供水系统

1、北华航天工业学院毕业论文I摘要在以 PLC 控制为核心,变频调速技术为基础的恒压供水系统中,PLC 将压力设定值与测量值的偏差经 PID 运算后得到的信号控制变频器,从而通过变频器控制水泵的转速调节管网的压力,实现恒压供水的目的.介绍了基于 S7-200 恒压供水系统 PID 调节器的实现.关键词关键词: :PLC 变频调速 PID恒压供水北华航天工业学院毕业论文IIAbstractIn a PLC control as the core technology-based frequency control constant pressure watersupply systems, PLC

2、and measuring the pressure setting value of the deviation by the PIDcontrol algorithms to the signal converter, which control the pump speed through the inverterregulating the pressure of pipe network to achieve constant pressure water supply roduced the S7-200 based on constant pressure

3、 water supply system PID regulatorimplementation.Key words ：PLC frequency control PID constant pressure water supply1目录摘要.IAbstractAbstract. II第 1 章绪论.11.1 课题背景.11.2 恒压供水发展概况.11.3 变频恒压供水的现状.11.3.1 国内外变频供水系统现状.11.3.2 变频供水系统应用范围.2第 2 章 可编程控制器概述.32.1 可编程控制器的基本结构.32.1.1 CPU 模块.32.1.2 I/O 模块.32.1.3 电源.42

4、.1.4 编程器.42.1.5 输入/输出扩展单元.42.1.6 外部设备接口.42.2 可编程控制器的工作原理.42.3 可编程控制器的内存区域的分布及 I/O 配置.52.4 可编程控制器基本指令简介.62.5 STEP7-Micro/WIN 软件的使用方法.72.5.1 系统需求.72.5.2 软件的使用.72.5.3 编程规则.8第 3 章 PLC 控制的恒压供水系统.103.1 设计基本思路.103.2 恒压供水系统的基本构成.103.3 变频器及其控制.113.3.1 变频器的基本结构.123.3.2 变频器的分类及工作原理.133.4 PLC 在恒压供水泵站中的主要任务.143.

5、4.1 PLC 在恒压供水泵站中的主要任务.143.4.2 PLC 模拟量扩展单元的配置及应用.14第 4 章 恒压供水硬件设计.15北华航天工业学院毕业论文24.1 系统控制要求.154.2 控制系统的 I/O 点分配及地址分配.154.3 PLC 系统选型.164.4 电气控制系统原理图.16第 5 章 恒压供水软件设计.185.1 系统流程图.205.2 系统程序.205.3 程序指令表.32第 6 章 总结.35致 谢.36参考文献.37北华航天工业学院毕业论文1第 1 章绪论1.1 课题背景随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出：一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波

6、动造成供水障碍：另一方面要求保证供水的可靠性和安全性，发生火灾时，能够可靠供水。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定， 因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡，但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上。随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，城市建设发展十分迅速，同时也对基础建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活，也直接体现了

7、供水管理水平的高低。传统供水厂，特别是中小供水厂所普遍采用的恒速泵加压供水方式存在效率较低、可靠性不高。自动化程度等缺点，难以满足当前经济生活的需要。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。1.2 恒压供水发展概况水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳

8、定运行的同时，降低能耗将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围大、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定差距。对大多数供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题， 寻求与能耗之间的最佳性价比， 是困扰企业的一个长期问题。变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统。目前不论是国内还是国外都在利用 PLC

9、 过程控制功能， 结合变频调速和触摸屏技术对原有的老旧系统进行改造，随着科技的发展，供水系统向着更智能化方向发展。1.3 变频恒压供水的现状1.3.1 国内外变频供水系统现状变频恒压供水时在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。 目前国内外的恒压供北华航天工业学院毕业论文2水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频器的数量一样多，因而投资成本很高。国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。 目前， 国内有不少公司

10、在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器， 结合 PLC 或 PID 调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产并且发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频器恒压供水市场。但在大功率容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。1.3.2 变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：（1）小区变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw 一下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最

11、多的方式。（2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小型供水厂或大中型的辅助供水厂。 这类变频器电机功率在 135km 和 320km 之间，电网电压通常为 220V 或 380V。受中小型水厂规模和经济条件限制，目前主要是采用工厂通用的变频恒压供水变频器。（3）大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外的进口变频器和控制系统。北华航天工业学院毕业论文3第 2 章 可编程控制器概述可编程序控制器，英文称 Programmable Logical Con

12、troller，简称 PLC。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的复杂接线、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点， 又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯， 特别是 PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，

13、使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的 PLC 后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将 PLC 应用于生产实践。2.1 可编程控制器的基本结构可编程控制器主要由 CPU 模块、输入模块、输出模块和编程器组成（如下图所示） 。图 2-12.1.1 CPU 模块CPU 模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及

14、进行各种内部判断等。PLC 的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。2.1.2 I/O 模块输入模块C PU模 块输出模块可 编 程 序 控 制 器编 程 装 置接 触 器电 磁 阀指 示 灯电源 电源 限 位 开 关选 择 开 关按钮 北华航天工业学院毕业论文4I/O 模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和 CPU 模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、

15、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。2.1.3 电源可编程序控制器一般使用 220V 交流电源。 可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。2.1.4 编程器编程器是 PLC 的外部编程设备，用户可通过编程器输入、检查、修改、调试程序或监示 PLC 的工作情况。也可以通过专用的编程电缆线将 PLC 与电脑联接起来，并利用编程

16、软件进行电脑编程和监控。2.1.5 输入/输出扩展单元I/O 扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元 （即主机） 连接在一起。2.1.6 外部设备接口此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。本实验装置选用的主机型号为 S7-200 系列的主机。2.2 可编程控制器的工作原理可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号， 用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直

17、至可编程序控制器停机或切换到 STOP 工作状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段。在内部处理阶段，可编程序控制器检查 CPU，模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序控制器与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。北华航天工业学院毕业论文5在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号

18、变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的通/断状态传送到输出锁存器。2.3 可编程控制器的内存区域的分布及 I/O 配置S7-200CPU224 部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示元件名称编号编号范围功能说明输入寄存器II0.0I1.5 共 14 点接受外部输入设备的信号输出寄存器QQ0.0Q1.1 共 10 点输出程序执行结果并驱动外部设备位存储器MM0.0M31.7在程序内部使用，不能提供外部输出定时器TT0,T64保持型通电延时 1msT1T4,T65T68保持型通电延时 10msT5T31,T69T95保持型通电延时 10

19、0msT32,T96ON/OFF 延时,1msT33 T36,T97 T100ON/OFF 延时,10msT37 T63,T101 T255ON/OFF 延时,100ms计数器CC0C255加法计数器，触点在程序内部使用高速计数器HCHC0HC5用来累计比 CPU 扫描速率更快的事件顺序控制继电器SS0.0S31.7提供控制程序的逻辑分段变量存储器VVB0.0VB5119.7数据处理用的数值存储元件局部存储器LLB0.0LB63.7使用临时的寄存器，作为暂时存储器北华航天工业学院毕业论文6特殊存储器SMSM0.0SM549.7CPU 与用户之间交换信息特殊存储器（只读）SMSM0.0SM29.

20、7CPU 执行时标志位的状态累加寄存器ACAC0AC3用来存放计算的中间值2.4 可编程控制器基本指令简介S7-200 的 SIMATIC 基本指令简表：LDLDNNN装载(开始的常开触点)取反后装载(开始的常闭触点)AANNN与(串联的常开触点)取反后与(串联的常闭触点)OONNN或(并联的常开触点)取反后或(并联的常闭触点)NOT栈顶值取反EUED上升沿检测下降沿检测二N赋值SRS_BIT,NS_BIT,N置位一个区域复位一个区域SHRBDATA,S_BIT,N移位寄存器SRBSLBOUT,NOUT,N字节右移 N 位字节左移 N 位RRBRLBOUT,NOUT,N字节循环右移 N 位字节

21、循环左移 N 位TONTOFTxxx,TPTxxx,TP通电延时定时器断电延时定时器CTUCTDCxxx,PVCxxx,PV加计数器减计数器END程序的条件结束STOP切换到 STOP 模式WDR看门狗复位 300msJMPN跳到指定的标号CALLN(N1,N2)调用子程序，可以优 16 个可选参数北华航天工业学院毕业论文7CRET从子程序条件返回FOR/NEXTINDX,INIT,FINALFor/Next 循环ALDOLD电路块串联电路块并联NETRNETWTABLE,PORTTABLE,PORT网络读网络写SLCRSLCTSLCENN顺控继电器段的启动顺控继电器段的转换顺控继电器段的结束

22、2.5 STEP7-Micro/WIN 软件的使用方法STEP7-Micro/WIN 编程软件为用户开发、编辑和控制自己的应用程序提供了良好的编程环境。 为了能快捷高效地开发你的应用程序， STEP7-MicroWIN 软件提供了三种程序编辑器。STEP7-Micro/WIN 软件提供了在线帮助系统，以便获取所需要的信息。本实验装置使用的编程软件是 STEP7-Micro/WIN V4.0 版本，在做实验前，首先将该软件根据软件安装的提示安装到计算机上， 然后用编程线将计算机和实验装置连接到一起。2.5.1 系统需求STEP7-MicroWIN 既可以在 PC 机上运行，也可以在 Siemen

23、s 公司的编程器上运行。PC 机或编程器的最小配置如下：Windows98、Windows2000、Windows Me 或者 WindowsNT4.0 以上。2.5.2 软件的使用(1)打开 STEP7-Micro/WIN V4.0，在中选择 PC/PPI 协议。北华航天工业学院毕业论文8(2)点击更改通信端口和通信速率。(3)在通讯菜单里双击刷新，STEP7-Micro/WIN V4.0 开始搜索 PPI 网络中的S7-200CPU。搜索完成后会出现网络中所有 PLC 的列表， 选择要操作的 PLC 即可对所选 PLC 进行操作了。(4)编辑梯形图。(5)点击将程序下载到 PLC 中，点击

24、可以对程序运行状态进行监控，点击可以将 PLC 置于运行的状态。2.5.3 编程规则(1)外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。(2)梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在右边。接点不能放在线圈的右边，北华航天工业学院毕业论文9在继电器控制的原理图中，热继电器的接点可以加在线圈的右边，而 PLC 的梯形图是不允许的。(3)线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器的常开接点来连接。(4)同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作，

25、应尽量避免线圈重复使用。(5)梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不符合顺序执行的电路就不能直接编程。(6)在梯形图中串联接点使用的次数是没有限制的，可无限次地使用。(7)两个或两个以上的线圈可以并联输出。北华航天工业学院毕业论文10第 3 章 PLC 控制的恒压供水系统3.1 设计基本思路生产及生活都离不开水。但如果水源离用水场所较远，就需要管路的输送。而将水送到较远的地方，管路中是需要有一定水压的，水压高了，才能将水输送到较远或较高的楼层。产生水压的设备室水泵，水泵转动的越快，产生的水压越高。传统的维持水压的方法是建造水塔，水泵开着时将水打到水塔中，水泵休息时，

26、借助水塔的水位继续供水。水塔中的水位变化相对水塔的高度变化很小， 也就是说水塔能维持供水管路中水压的基本恒定。但是，建造水塔需花费财力物力，水塔还会造成二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题。通常的做法是：用水量大时，增加泵数量或提高水泵的转速以保持官网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调整。这就是恒压供水的基本思路。这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可设想的，但今天办到这一点已变得很容易了，交流变频器的诞生为水泵转速的平滑连续调节提供了方便。交流变频器是改变交流电源频率的电子电力设备，输入三相工频交流电后，可以输出频率平滑

27、变化的三相交流电。3.2 恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，他们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候，备用泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持官网水压的恒定，水泵电机转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当让方便，电机与变频器不须切换，但购变频器的费用较高。另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行，

28、以满足不同用水量的需求。图3-1为恒压供水泵站的构成示意图。图中压力传感器用于检测官网中的水压，常常设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低;用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能：（1）设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高于生活用水。调节器具有给定值设定功能，可北华航天工业学院毕业论文11以以

29、数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。（2）接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送给泵站控制装置称为反馈，调节器是反馈的接收点（3）根据给定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定值大于实测值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速，如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都是由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作那个还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例积分微分调节，俗称PID调节器。调节器的调节参数，如P、I、D参数均是可

30、以由使用者设定的， PID调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。图 3-1 供水泵站的构成示意图3.3 变频器及其控制交流变频器室微计算机及现代电子电力技术高度发展的结果。 微计算机是变频器的核心，电子电力器件构成了变频器的主电路。我们知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50周。而交流电动机的同步转速北华航天工业学院毕业论文12式中N同步转速，r/min；f电子频率，Hzp电机的磁极对数。而异步电动机转速式中s异步电动机转差率，s=（N1-N）/N1,一般小于3%。均与送入电机的电流频率 f 成正比例。 因而， 改

31、变频率可以方便的改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。3.3.1 变频器的基本结构从频率变换的形式来说，变频器分为交交和交直交两种形式。交交变频器可将工频交流电直接换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。而交直交变频器则是先把工频电通过整流变成直流电，然后再把直流电换成频率、电压均可控制的交流电，又称间接式变频器。市售通用变频器多是交直交变频器，其基本结构如图 3-2 所示，由主回路、包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下：图 3-2 变频器的基本结构（1）整流器。电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）

32、交流电整流成直流。（2）直流中间电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变器及控制电源得到质量较高的直流电源。由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感北华航天工业学院毕业论文13性负载。无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为 1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。 这种无功能量要靠中间环节的储能元件来缓冲。所以又常称为直流中间环节为中间直流储能环节。（3）逆变器。负载侧的变流器为逆变器。逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。 逆变器电路的输出就是变频器的输出。（4）控制电路。

33、变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分，其主要任务是完成逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。控制电路时变频器的核心部分，性能的优劣决定了变频器的性能。一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成， 直流中间电路的储能元件在整电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路时电源时是大容量的电感。为了电动机制动电阻及辅助电路。 逆变电路最常见的结构形式是利用 6 个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制为变

34、频器的优良性能提供了硬件保障。3.3.2 变频器的分类及工作原理变频器较详细的工作原理还是与变频器的工作方式， 通常变频器按工作方式分类如下：（1）U/f 控制。U/f 控制即电压与频率成比例变化控制。由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节，U/f 控制由于忽略了电机漏阻抗的作用，在低频段的工作特性不理想。因而实际变频器中常用E/f 控制。采用 U/f 控制方式的变频器通常被称为普通功能变频器。（2）转差频率控制。转差频率控制是在 E/f 控制基础上增加转差控制的一种控制方法。从电机的转速角度看，这是一种以电机的实际运行速度加上该速度下电机的

35、转差频率确定变频器的输出频率的控制方式。更重要的是，在 E/f=常数的条件下，通常对转差频率的控制，可以实现对电机转矩的控制。采用转差频率控制的变频器通常属于多功能型变频器。（3）矢量控制。矢量控制是受调速性能优良的直流电机磁场电流和转矩电流克分别控制的启发而设计的一种控制方式。 矢量控制将交流电机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量和转矩分量，并分别控制，从而大大的提高了变频器对电机转速和力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。通常变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。 普通功能性变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，

36、 而高功能变频器可适用于位能北华航天工业学院毕业论文14性负载。3.4 PLC 在恒压供水泵站中的主要任务3.4.1 PLC 在恒压供水泵站中的主要任务（1）代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字式 PID 调节。一只传统调节器往往只能实现一路 PID 设置，用 PLC 作调节器可同时实现多路 PID设置，在多功能供水泵站中各类工况中参数可能不一样，使用 PLC 作数字式调节器就十分方便。（2）控制水泵的运行与切换。在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀地磨损，水泵及电机是轮换工作的。在设单一变频器的多泵组泵站中，如规定和变频器相连接的泵为主泵，主泵也是轮流担任的。主泵在运

37、行时达到最高频率时，增加一台工频泵投入运行。PLC 则是泵组管理的执行设备。（3）变频器的驱动控制。恒压供水系统中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用 PLC 的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经 PID 处理后得出的模拟量控制信号， 并依此信号的变化改变变频器的输出频率。（4）泵站的其他逻辑控制。除了泵组的运行管理工作外，泵站还有许多逻辑控制工作，如手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站工作异常的报警，系统的自检等，这些都可以在 PLC 的控制程序中安排。3.4.2 PLC 模拟量扩展单元的配置及应用PLC 的普通输入端口

38、均为开关量处理端口，为了使 PLC 能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式 PLC 加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转换为PLC 可处理的数字量及将 PLC 内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于模/数转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。在本次设计中主要用到的模拟量处理单元是 EM235。使用 EM235 时需要经过校准才能使用，其校准步骤如下：（1） 切断模块电源。使用配置开关选择需要的输入范围。（2） 接通 CPU 各模块电源，并稳定 15min。（3） 用一个传感器、一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端

39、。（4） 读出 CPU 中测量值。（5） 调节偏置电位器，使读数为零或为一个所需要的数据值。（6） 将一个满刻度信号接入某个输入端，读取 CPU 的值。（7） 调节增益电位器，直到 CPU 的读数为 32000，或所需要的数据值。必要时，重复偏置及增益的校准过程。北华航天工业学院毕业论文15第 4 章 恒压供水硬件设计如图 4-1 所示， 市网自来水用高低水位控制器 EQ 来控制注水阀 YV1， 自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。水池的高低水位信号也直接送给PLC，作为低水位报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电

40、磁阀 YV2 处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少， 按一定的控制逻辑运行， 维持生活用水低恒压。 当有火灾发生时，电磁阀 YV2 得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。图 4-1 三台泵的供水示意图4.1 系统控制要求对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：（1） 生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时高恒压值运行。（2） 三台泵根据恒压是需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。（3） 在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过 3 小时，则要切换下一台泵，即具有“倒泵功能” ，避免某一台泵工作

41、时间过长（4） 三台泵在启动时都要有软启动功能。（5） 要有完善的报警功能。4.2 控制系统的 I/O 点分配及地址分配根据图 4-1 所示及以上控制系统的输入输出信号的名称、 代码、 及地址编号如表 4-1所示。水位上下限信号分别为 I0.1,I0.2，它们在水淹没时为 0，露出时为 1北华航天工业学院毕业论文16表 4-1 I/O 分配表4.3 PLC 系统选型从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点 6 个，开关量输出点 12 个；模拟量输入点 1 个、模拟量输出点 1 个。如果选用 CPU222 在扩展 EM222 也可以达到控制要求，但考虑到是初次设计，应保留足够大的余量，故选用

42、CPU224PLC，当然也可以选用CPU226，但是也需要扩展输出单元，而且价格较贵，性价比不高。此外还需要扩展一个EM235 模拟量输入输出单元，这就是整个 PLC 系统的配置。4.4 电气控制系统原理图电气控制系统原理图包括主电路图和 PLC 外围接线图。1. 主电路图如图 4-2 所示为主控制电路图。三台电机分别为、。接触器、分别控制、的工频运行；接触器、分别控制、的变频运行；、分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；、分别为变频器和三台泵电机主电路的隔离开关；为主电路的熔断器；为通用变频器。北华航天工业学院毕业论文17图 4-2 主电路图2. PLC 外围接线图北华航天工业学院毕业论文

43、18图 4-3 PLC 外部接线图北华航天工业学院毕业论文19第 5 章 恒压供水软件设计硬件连接确定之后， 系统的控制功能主要通过软件实现， 结合前述泵站的控制要求，对泵站软件分析如下：1. 由恒压要求出发的工作泵组数量管理为了恒定水压，在水压降低时要升高变频器的输出频率，且在一台泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台或第三台泵。判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性， 应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况， 在程序中考虑采取时间滤波。2. 多泵组泵站泵组管理规范由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软

44、启动，又规定各台水泵必须交替使用，控制要求中规定每台泵连续变频变频运行不得超过 3 小时，因此每次启动新泵或切换变频泵时，以新泵为变频泵是合理的。具体的操作是，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新泵的启动。初此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制， 本次设计用泵号加 1 的方法实现变频器的循环控制，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。3. 程序结构及程序功能的实现由于模拟量单元及 PID 调节都需要编制初始化及中断程序，本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。利用定时器中断功能实现 PID 控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多，

45、如切换信号的生成，泵组的接触器逻辑控制信号的综合报警处理等都在主程序中。生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。在本设计中，只是用到了比例和积分控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，初步确定的增益和时间常数为：增益 k=0.25采样时间=0.2s积分时间=30min程序中使用的 PLC 元件及其控制功能如表 5-1 所示：北华航天工业学院毕业论文20表 5-1 程序中使用的 PLC 元件及其控制功能5.1 系统流程图5.2 系统程序北华航天工业学院毕业论文21上电初始化，调初始化子程序。消防/生活供水压力给定值设置上电和故障结束时重新激活变频泵号存储器，变频器

46、频率上限时增泵滤波。北华航天工业学院毕业论文22符合增泵条件时，工频泵运行数加 1，频率下限时减泵滤波。符合减泵条件时，工频泵运行数减 1，变频增泵或倒泵时，置位 M2.0。北华航天工业学院毕业论文23复位变频器频率为软启动做准备，产生关断当前变频泵脉冲信号。变频工作泵号加 1,。北华航天工业学院毕业论文24产生关断当前泵工频启动脉冲信号。产生下一台泵变频运行启动信号，变频工作泵的泵号转移。北华航天工业学院毕业论文25一个变频泵运行的持续时间判断。3 小时到，则产生下一台泵的变频启动信号有工频泵运行时，复位 VD310.1 号泵变频运行控制逻辑。北华航天工业学院毕业论文262 号泵变频运行控制

47、逻辑和 3 号泵变频运行控制逻辑。1 号泵工频运行控制逻辑和 2 号泵工频运行控制逻辑。北华航天工业学院毕业论文273 号泵工频运行控制逻辑,，火灾时，阀 YV2 打开。水池低水位信号处理和水池水位下限信号灯。北华航天工业学院毕业论文28变频器故障信号灯和火灾信号北华航天工业学院毕业论文29水池水位下限故障消铃逻辑和变频器故障消铃逻辑。火灾消铃逻辑和报警电铃。故障信号及故障结束处理北华航天工业学院毕业论文30北华航天工业学院毕业论文31北华航天工业学院毕业论文325.3 程序指令表Network1LDSM0.0CALLSBR-0Network2LDI0.0MOVR0.9 ,VD104NOTMO

48、VR0.7 ,VD104Network3LDSM0.1OM0.0INCBVB300Network4LDI0.0AD=VD250 , VD208OLDANM0.1TONT37 , +50Network5LDT37AB=VB301 , 1EU=M0.1INCBVB301Network6LDDVB301Network8LDM0.1OM0.3SM0.2 , 1Network9LDM2.0TONT33 , +1=Q1.3Network10LDT33EU=M0.4Network11LDM0.4SM2.1INCBVB300Network12LDM2.1TONT34 , +2Network13LDT34EU=

49、M0.5RM2.1 , 1Network14LDM0.5SM2.2 , 1Network15LDM2.2TONT39 , +30Network16LDT39EU=M0.6RM2,2 , 1RM2,0 , 1北华航天工业学院毕业论文33Network17LDBVB300,3MOVB1, VB300Network18LDB=VB301 , 0ASM0.4EUINCDVD310Network19LDD=VD310 , +180EU=M0.3MOVD+0 , VD310Network20LDBVD301 , 0MOVD+0 , VD310Network21LDSM0.1OM0.0OM0.6AB=VB3

50、00 , 1OQ0.1ANM3.0ANM0.4ANQ0.0=Q0.1Network22LDM0.6AB=VB300, 2OQ0.3ANM3.0ANM0.4ANQ0.2=Q0.3Network23LDM0.6AB=VB300, 3OQ0.5ANM3.0ANM0.4ANQ0.4=Q0.5Network24LDM0.5OQ0.0LDB=VB300, 2ABVB301, 0LDB=VB300, 3ABVB301, 1OLDALDANQ0.3=Q0.2Network26LDM0.5OQ0.4LDB=VB300, 1ABVB301, 0LDB=VB300, 2ABVB301, 1OLDALDANQ0.5=

51、Q0.4Network27LDI0.0=Q1.0Network28北华航天工业学院毕业论文34LDI0.1OM3.1AI0.2=M3.1Network29LDSM0.5OM3.2AM3.1OI0.5=Q0.7Network30LDSM0.5OM3.3AI0.3OI0.5=Q1.0Network31LDSM0.5OM3.4AI0.0OI0.5=Q1.1Network32LDI0.4OM3.2AM3.1=M3.2Network33LDI0.4OM3.3AI0.3=M3.3Network34LDI0.4OM3.4AI0.0=M3.4Network35LDM3.1ANM3.2LDI.30ANM3.3OLDLDI0.0ANM3.4OLDOI0.5=Q1.2Network36LDM3.1OI0.3=M3.0MOVB0 , VB300MOVB0 , VD301ED=M0.0SBR_0Network1LDSM0.0MOVD+1800 , VD204MOVD+22400 , VD208MOVD+28800 , VD212MOVR0.25 , VD112MOVR0.2 , VD116